电介质是一种激光烧蚀阈值非常高的材料,其优越的物理化学性质使得电介质材料在光学领域中得到了大规模的应用,受益于超短的脉宽和超高的瞬时功率,飞秒激光成为电介质材料柔性加工方法的首选。飞秒激光非线性吸收的特性使得电介质材料高精度加工成为可能,这使得飞秒激光加工广泛应用到电介质材料的微纳加工研究中。熔融石英干涉型光纤传感器的飞秒激光加工是其中很重要的一种应用类别,充分体现了飞秒激光本质的精细微加工优势。但是在电介质材料的加工中也遇到了很多困难,阻碍了飞秒激光加工的进一步应用,到目前为止的飞秒激光熔融石英加工基础研究都停留在加工形貌的离线表征和泵浦探测在线表征手段上,而对于纳秒时间尺度的等离子体在线表征则研究很少。作为研究等离子体属性的主要手段,激光诱导击穿光谱技术被广泛应用于金属和半导体材料的等离子体温度及电子数密度的探测,但是因为信号强度和稳定性的原因而遇到一些问题。所以激光诱导击穿光谱的信号增强性研究具有重要的科研应用价值,对材料加工机理也能提供等离子体层面的支持,是当前很受关注的研究领域。本论文的重要创新性研究内容主要分为以下几个方面:（1）搭建了一套多时间尺度的多物理过程集成式观测系统,实现了跨越15个数量级的飞秒激光加工过程在线表征,将飞秒激光脉冲叩击加工深孔过程作为观测对象验证了多尺度观测系统的观测能力,观测到了飞秒、皮秒到纳秒尺度的飞秒激光电离、等离子体的生成和驱动的冲击波膨胀过程,观测到了单脉冲激发的纳秒尺度和多脉冲诱导的毫秒尺度的等离子体喷发过程,还观测到了多脉冲叩击的秒尺度的孔成型过程。（2）研究了共线型飞秒激光双脉冲诱导等离子体光谱的增强效果,发现通过电子状态的调控,在脉冲延迟超过10 ps后的双脉冲激发的光谱比单脉冲诱导击穿光谱要强很多倍,当激光通量为11J/cm²而且脉冲延迟为120 ps时相对于单脉冲的双脉冲诱导击穿光谱增强倍数可以达到35倍。依据局部热平衡状态下的玻尔兹曼图法和斯塔克展宽法计算了纳秒尺度的等离子体温度和电子数密度,发现等离子体电子动态的变化是影响激光诱导击穿光谱强度的原因。（3）研究了飞秒激光双脉冲诱导熔融石英材料激发光谱信号增强的机理,发现了飞秒激光诱导等离子体的成分因为材料的不同而有很大区别,主要体现在电离程度也就是电子动态上,铜材料在飞秒激光的激发下电离程度很高,没有明显的快慢部的亮度区别,相对来说熔融石英材料的电离程度相对较弱,单脉冲下的慢部成分发光很弱,在第二束脉冲的作用下才发出更强的光辐射,而且成为主要的等离子体辐射来源。配合烧蚀体积的表征,在10 ps后等离子体辐射较强的同时加工体积却最小,说明了第一束脉冲诱导产生的慢部成分对第二束脉冲强烈吸收后的再电离是等离子体辐射增强的主要原因。（4）研究了两种应用需求的光纤传感器飞秒激光水辅助加工工艺并对加工出来的光纤传感器进行了相应的实验测试,使用水辅助的方式解决了飞秒激光加工碎屑的去除和光纤柱面结构对飞秒激光聚焦的影响。设计了全石英组装结构的法布里珀罗式光纤热光系数传感器,实现了传感器本身对温度的不敏感(10^-6RIU/℃的干扰),为液体测试环境设计了镀金膜的第二个光纤反射面,测量了不同液体的热光系数。设计了多光束干涉的锥槽结构气体折射率微光纤传感器,使用飞秒激光精确加工槽结构模式激发器的深度来控制不同光纤模式的强度匹配,充分发挥高阶包层模式对外界环境的敏感性来提高气体测试的灵敏度,实现了高达669.502 nm/RIU的气体折射率测量。